CN111878523A - 电控自动变速箱 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种经拾速塔轮轴、传动齿轮组合的电控滚柱锁止离合器，及电动控制的自动变速箱。所述的自动变速箱为平行轴传动机构，其经电控滚柱锁止离合器操控发动机与变速箱输入轴、输出轴与汽车传动轴的连接，可按需切断变速箱输入、输出转矩，使变速箱齿轮无传动，从而可降低齿轮磨损增加使用寿命。拾速塔轮轴与各基挡、变压挡外齿轮组成的电控滚柱锁止离合器，由ECU控制拾速塔轮轴内的伺服电机操控，可使基挡、变压挡经星排联动器匹配成多组复合挡，驱动输出轴旋转。本申请的传动机构，经单向电控滚柱锁止离合器或单向轴承将各基挡、变压挡的传动轮、轴连接一体，使得各挡切换平顺，传动连续。

Description

电控自动变速箱

所属技术领域

本发明涉及汽车机械领域中的平行轴式变速箱。

背景技术

现有技术的自动变速器，多以电磁阀控制液压油路的电液一体化方式实施挡位切换；传动机构则多为液力变矩器+行星齿轮机构或+平行轴齿轮结构。

虽然现有技术的变速箱，可根据汽车运行状态及传感数据，经行车电脑ECU操控电磁阀实施变速而具备智能化，但因操控环节、方式等，而使其传动效率、使用或制作成本不尽人意。

现有技术的自动变速箱主要分为：液力自动变速箱(AT)、机械自动变速箱(AMT)、无级自动变速箱(CVT)、双离合自动变速箱(DCT)。

AT自动变速箱，主要由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传动和齿轮组合变速、变矩；但因液压传动而反应迟缓、费油。

无级变速的CVT变速箱，换挡平顺，但因带传动承受扭矩有限，且变挡须经逐级挡传动而提速响应迟缓。

弃用液力变矩器的DCT，通过双离合的换挡方式，提升自动变速箱的传动效率，换挡速度快；但干式离合、换挡顿挫的缺陷依然存在。

由上知，自动变速器的基本元素为：齿轮及电控液压离合装置。若省却液压环节，由ECU直接操控电磁离合装置实施变速箱的挡位切换，应为最简单直接的操控方式。

发明内容：

本发明提供一种平行轴结构的电控自动变速箱，及为之实施而由电控滚柱锁止离合器构成的拾速塔轮轴。

本发明电控自动变速箱包括，变速箱壳体、输入轴、塔齿轴、拾速塔轮轴、输出轴、倒挡惰轮轴及操控挡位切换的伺服电机等。

所述变速箱的各传动齿轮(副)，皆由单向电控滚柱锁止离合器或单向轴承(单向离合器)与传动轴相连。

电控滚柱锁止离合器的电控部分，为镶嵌于传动轴内的伺服电机；车载电脑ECU的控制线路，经高速集电环与之相连；ECU经伺服电机操控电控滚柱锁止离合器，实施挡位切换。

低速高扭的伺服电机，是操控各单元滚柱锁止离合器的电控装置，由于，伺服电机皆处高速、高温的工作环境，故要求伺服电机应具有适应性。

输入轴、塔齿轴、输出轴处于同一轴线，拾速塔轮轴为变速传动的中间轴；倒挡的惰轮固结于变速箱壳体。

塔齿轴，系不同齿数齿轮组合而成的多级齿轮轴。塔齿轴的一端经双向电控滚柱锁止离合器与输入轴(连接发动机曲轴)相连；ECU经伺服电机切断或接通与发动机的连接，匹配发动机自动启停及变速箱相关功能。

塔齿轴的另端，经两部传动方向相反的单向电控滚柱锁止离合器与输出轴相连。设置在塔齿轴空心内腔的伺服电机1，控制塔齿轴两端与输入、输出轴相连的滚柱锁止离合器，操控直驱挡的离合。

直驱挡传动时，塔齿轴一端与发动机相连的双向滚柱锁止离合器结合；另一端与发动机同向或者反向传动的单向电控滚柱锁止离合器，交替结合或分离；发动机则可等速直驱车辆前行，或者以怠速、停机等拖拽车辆减速。

拾速塔轮轴，系本发明的核心部件。拾速塔轮轴为筒轴，两端铰接于变速箱壳体，轴外设置有基挡、变压挡齿轮组。拾速塔轮轴与各基挡、变压挡的外齿轮，经强制滚柱、锁止滚柱、定位弹簧等，组成各挡的单向电控滚柱锁止离合器或单向轴承。

拾速塔轮轴，内腔设置伺服电机2、基挡拨挡轴、星排联动器、变压挡拨挡轴。ECU操控伺服电机可使基挡拨挡轴旋转，实施各基挡、变压挡的离合转换，并使同轴旋转的基挡、变压挡组合成复合挡，以最佳速比适配车速的增、减。

操控基挡、变压挡离合转换的拨挡轴，由星排联轴器分隔在拾速塔轮的两侧。基挡外齿轮与所啮合塔齿轴的齿轮，构成基挡齿轮副；变压挡外齿轮，与输出轴上的外齿轮构成变压挡齿轮副。

各基挡外齿轮作为从动轮，自塔齿轴各对应齿轮拾取传动；各变压挡外齿轮为主动轮，将拾速塔轮轴经各基挡拾取的传动，调变后传递至输出轴上所啮合的前进挡或倒挡，驱动车辆运行。

变压挡齿数最少(或直径最小)的外齿轮，经滚柱、顶簧等部件，与内圈即拾速塔轮轴构成现有技术的单向轴承(单向离合器)；除该变压挡外，其余基挡、变压挡外齿轮，皆经电控滚柱锁止离合器融入拾速塔轮轴。

拾速塔轮轴，为各基挡电控滚柱锁止离合器外圈的从动件，同时也为各变压挡电控滚柱锁止离合器或单向轴承的主动件；变压挡外齿轮转矩与发动机转向相反，其驱动输出轴的转向与发动机相同(倒挡除外)。

拾速塔轮轴端部的伺服电机2，经其转轴(拨挡轴)驱动基挡、变压挡凸轮拨档器旋动，实施基挡、变压挡滚柱锁止离合器的离合转换。当转子拨挡轴顺时向旋转，可使各基挡的滚柱锁止离合器逐一离合，使基态(车辆驻停时，基1挡离合器结合)的基1挡逐挡转换为最高挡。

当伺服电机2的转子拨挡轴旋转超过360°时，基挡则由最高挡切换为基1挡，完成一次基挡循环变换。基挡拨挡轴顺时向旋动，变速箱实施升挡；反之，变速箱降档。

伺服电机2的转子拨挡轴，既操控各基挡离合器的离合切换，又经星排联动器对各变压挡实施离合转换。

星排联动器为行星齿轮机构(简称星排)，其设在拾速塔轮轴内腔；星排联动器的内齿圈为拾速塔轮轴内壁，星排的太阳轮、行星架分别与基挡拨挡轴、变压挡拨挡轴固结。

星排联动器(太阳轮与行星架转速之比)应符合：基挡拨挡轴每旋转360°(各基挡循环变换一次)，变压挡随基挡拨挡轴的旋转变换一挡；基挡拨挡轴每旋转一周，可使每一变压挡皆对应各基挡形成一组复合挡。

变压挡的降档，由伺服电机2驱动转子拨挡轴逆时向旋动；同样以各基挡循环变换一次，星排联动器使变压挡降低一挡(至基1挡后，升为最高挡然后继续降档)。

变压挡拨挡器处于虚拟挡位时，各变压挡的滚柱锁止离合器皆分离，此时拾速塔轮轴上外齿轮齿数最少(传动比最大)的变压挡传动；并与各基挡组成低速高扭的一组复合挡，驱使车辆起步、加速。

传动比最大的变压挡为变压1挡，其最小齿数的外齿轮经单向轴承融入拾速塔轮轴；变压1挡的外齿轮同时啮合输出轴上低速前进挡及倒挡齿轮，可使变速箱以低速高扭的前进挡或倒挡传动。

输出轴内腔的伺服电机3操控前进挡、倒挡的滚柱锁止离合器的转换。

车辆起步，伺服电机1旋转使基态时分离的发动机与塔齿轴连接的滚柱锁止离合器结合，则塔齿轴所啮合拾速塔轮轴的基1挡外齿轮传动，经变压1挡齿轮副传递至输出轴(低速前进挡)，形成基1挡与变压1挡(即1-1挡)的复合传动。

随车速逐渐提升，ECU据感应数据指令伺服电机2驱动基挡拨挡轴，历经基态时的基1挡，基2、基3挡…逐级升高(传动比逐挡减小)以匹配车速的提升。若基挡最高挡的传动比，依然不能匹配车速所需时，ECU则指令使伺服电机2继续驱动拨挡轴旋转(达360°)，使基挡由最高挡降为基1挡；与此同时经星排联轴器驱使旋转的变压挡拨挡轴，恰使变压挡由虚拟1挡(变压1挡传动)转换为变压2挡；形成基1挡与变压2挡即复合挡1-2挡传动。之后，随车速的提升，ECU操控的伺服电机2旋转，经基2挡、3挡……的逐级变换，至基挡拨挡轴旋转达720°时，变压挡由变压2挡升至虚拟2挡，各变压挡单向电控滚柱锁止离合器无传动(较大传动比的变压1挡滞后传动；同时伺服电机1驱使相关离合器挂入直驱挡，替代了变压2挡(离合器已分离)并使变压1挡的单向轴承分离；变速箱的传动转换为由发动机、输入轴、塔齿轴、输出轴传动。

若车速继续增加，ECU认为仍需变速箱升档时，即指令伺服电机2驱动基挡拨挡轴继续再旋转360°达1080°后，变压挡拨挡轴使虚拟2挡转换为变压3挡，形成基1挡与变压3挡的复合传动，复合挡1-3挡的传动比小于直驱挡，而顶替直驱挡传动；之后伺服电机1逆时向旋转，退出直驱挡。基挡重复上述由基1、基2、基3……挡的升档过程，使复合挡的速比逐渐缩小，以匹配车速的提升。

变压2挡的外齿轮(或齿数)大于变压1挡，两变压挡共用拾速塔轮轴，故角速度相同。当两挡齿轮副同时驱动输出轴时，变压2挡则高于变压1挡旋转，使变压1挡外齿轮受输出轴上齿轮副的作用，超速(超越驱动其旋转的拾速塔轮轴的转速)旋转，使得变压1挡外齿轮与拾速塔轮轴构成的单向轴承自动分离，不再传动。

上述情形说明，两变压挡同时传动时，传动比较小的变压挡自动上位顶替较大速比的传动，不存在传动干涉、传动力间断问题。

变压1挡单向轴承的外齿轮，较经滚柱锁止离合器融入拾速塔轮轴的外齿轮为更小，其做为低速前进挡及倒挡齿轮副中的主动齿轮，可提供较大扭矩。

输出轴内设置可操控低速前进挡、倒挡、停车挡离合转换的伺服电机3，其信号动力线经集电环与ECU相连。

R挡即倒挡，系在低速前进挡齿轮副之间增加惰轮构成，形成与发动机转向相反的转矩，驱动输出轴使车辆倒行。

P挡即停车挡滚柱锁止离合器，设置于输出轴内腔，经双向滚柱锁止离合器与变速箱壳体支座相连；非驻车时该离合器分离，其具有的轴承功能，基于变速箱壳体支座支撑输出轴旋转。当伺服电机3驱动转子拨挡轴使P挡滚柱锁止离合器结合时，输出轴与变速箱被锁止一体，使车辆止动。

上述结构，使得伺服电机3操控的D挡(前进挡)、R挡、P挡三挡滚柱锁止离合器的离合关系为，挂入R挡时，D、P挡滚柱锁止离合器分离；挂入D挡时，R、P挡的滚柱锁止离合器分离，以确保各档传动互不干涉。

拾速塔轮轴经滚柱等将各基挡、变压挡外齿轮融入一体，构成单向电控滚柱锁止离合器及单向轴承；利用星排联动器可使基挡、变压挡逐一复合传动是实现本发明的核心。由ECU经低速高扭微型伺服电机控制的单向或双向滚柱锁止离合器，是变速箱挡位切换、实施变速传动的根本。

将拾速塔轮均分为若干单元，各单元分别套有内径、宽度相同的外齿轮，经强制滚柱、锁止滚柱等与拾速塔轮轴构成基挡或者变压挡的滚柱锁止离合器。各外齿轮由兼做滚子的锁止滚柱，基于内圈(拾速塔轮轴)轴壁上铣制的坡道支撑旋转。

在星排联轴器一侧的基挡区域，沿拾速塔轮轴壁360°范围，螺旋状错位镂空孔洞，孔洞的大小可置放强制滚柱，使之裸露但不能落入拾速塔轮轴内腔。各基挡相邻单元镂空孔洞圆周方向错位角，为360°÷基挡单元个数；轴线方向错位距离，为相邻单元的间距。在星排联轴器另侧的变压挡区域，各相邻单元变压挡镂空孔洞的错位角为360°÷(变压挡单元数+2)，2代表虚拟挡位数。

当变压挡的凸轮拨档器处于第一个虚拟挡时，各变压挡的滚柱锁止离合器皆处于分离状态，故拾速塔轮轴经单向轴承驱动变压1挡外齿轮传动。

当变压挡凸轮拨档器处于变压2挡与第二个虚拟挡临界区域，并挂入直驱挡时，变压2挡、直驱挡传动。由于变压2挡的传动比大于直驱挡，两挡同时驱动输出轴的结果是，变压2挡的单向电控滚柱锁止离合器分离，而由直驱挡驱动。随变压挡凸轮拨档器越过两挡临界，驻留虚拟2挡时，变压挡无传动，经拾速塔轮轴的传动被切断，仅直驱挡传动。

在各基挡、变压挡单元拾速塔轮轴壁上，圆周均距铣制不低于3个置放锁止滚柱的坡道(具体数由需内、外圈传递转矩大小确定)，坡道的坡度应满足强制滚柱处于基态(强制滚柱无位移)，锁止滚柱基于该坡道支撑外齿轮旋转，且不能自锁。各挡单元皆有一坡道贯通镂空孔洞，使坡道上的锁止滚柱与镂空孔洞内的强制滚柱相切；同单元内相邻的锁止滚柱，由界于内外圈之间的弧形支杆支撑(首、尾锁止滚柱除外)；支杆端部的弧形板支撑各锁止滚柱旋转。当强制滚柱离心移动，驱使首位锁止滚柱位移时，弧形支杆则顶持各锁止滚柱，使之沿各自坡道楔入内、外圈狭窄处。

锁压弹板，基于拾速塔轮轴在镂空孔洞外缘与强制滚柱相切，切线与强制滚柱的径向位移方向成γ夹角；该角度满足，当强制滚柱受凸轮拨挡器顶持离心位移时，锁压弹板与强制滚柱作用形变弹力的分力，使强制滚柱最大限度顶持经弧形支杆串联的各锁止滚柱，楔入各自坡道内外圈间的狭窄处；使受夹持的锁止滚柱，在内外圈旋动力矩作用下，将内外圈锁止为一体，而使所述离合器结合。

锁止坡道的坡度，应略大于单向轴承设计中滚柱自锁时的坡度，以使强制滚柱对坡道上锁止滚柱顶持的合力，符合单向轴承锁止的条件，顺利锁止内外圈；且当撤销强制滚柱的顶持力后，内、外圈对锁止滚柱所产生的挤出力，可顺利使锁止滚柱旋出锁止位置，使所述离合器分离。

本发明单向滚柱锁止离合器中锁止滚柱坡道的坡度、锁压弹板对锁止滚柱的弹性系数等，参照单向轴承设计(化学工业出版社，第五版《机械设计手册》第2卷第六册第三章)。

伺服电机转轴即拨挡轴的正反向旋转，皆可使凸轮拨挡器的斜坡触及裸露于拾速塔轮轴内腔的强制滚柱，使强制滚柱沿拨挡器斜坡移至拨挡器弧顶面，顶持强制滚柱沿镂空孔洞突破锁压弹板的弹性压斥力离心位移。

为使裸露的强制滚柱顺利移动至凸轮弧形顶面，凸轮弧形顶面前后(以旋向参照)斜坡的坡度，应满足伺服电机可顺利驱动凸轮拨挡器，将处于凹谷处的强制滚柱置于凸轮弧形顶面；凸轮拨档器斜坡坡度及伺服电机旋动力矩的大小应满足前述的要求。

设置在拾速塔轮空心腔内的凸轮拨挡器的弧面，所对应的圆心角为360°÷拨档器可控离合器数量+θ，θ为拨档重叠角；θ的大小为拨档器的弧形面，可触及相邻单元错位的强制滚柱，并使之离心位移，使两相邻单元离合器结合的最小值。

上述结构离合器的锁止滚柱所处坡道的坡向，与现有技术的单向轴承(单向离合器)的结构及功能相同。即所述滚柱锁止离合器，为单向离合器，其结合时仅能单向传动、具有可超越性。

通常，拾速塔轮轴保有一基挡传动，其他基挡的滚柱锁止离合器皆分离，在各自啮合的塔齿轴驱动下，各外齿轮以不同速比绕拾速塔轮轴空旋。

单向电控滚柱锁止离合器，适用于拾速塔轮轴与各基挡、变压挡(除变压1挡)；输出轴上啮合变压1挡外齿轮的低速前进挡、倒挡。

双向电控滚柱锁止离合器，适用于输入轴(发动机)与塔齿轴；停车挡与输出轴。

单向轴承(单向离合器)，适用于变压1挡外齿轮与拾速塔轮轴；变压2挡、3挡……的齿轮副与输出轴。

双向电控滚柱锁止离合器，由单向电控滚柱锁止离合器的一个离合控制点变为多个，即有多个强制滚柱及镂空孔洞；使单向滚柱锁止离合器的单一坡道，变为两条以强制滚柱为中的对称坡道，且锁止滚柱数量加倍。固定于双向滚柱锁止离合器内圈与前、后锁止滚柱相切的V型复位弹板，替代了单向滚柱锁止离合器的弧形支杆、锁压弹板。

上述结构的双向滚柱锁止离合器，至少应有3个强制滚柱即3个离合器控制点；当外力作用使各强制滚柱沿镂空孔洞离心位移时，即可驱使其前后相切的两锁止滚柱突破V型弹板的弹力，沿各自坡道楔入内、外圈的狭窄处；进而在内外圈夹持的旋入力矩(内外圈相对旋动的力偶使锁止滚柱旋进狭窄处)作用下，将外圈与内圈锲紧锁止使所述离合器结合。

当上述离合器内圈主动时，后锁止滚柱将内、外圈先行锁止；而处于略大于自锁角坡道的前锁止滚柱，受内、外圈旋出力(内外圈相对旋动的力偶使锁止滚柱旋出狭窄处)作用，谐振着退出狭窄处，始终无法锁止内外圈。前锁止滚柱因内外圈相对旋动获得的旋出力，经相切的强制滚柱施压于后锁止滚柱，助力强制滚柱对后锁止滚柱的顶持，使强制滚柱只要具备离心位移即可驱使后锁止滚柱锁止内外圈。

随凸轮拨档器旋转顶持强制滚柱的离心位移增加，对前、后两锁止滚柱压力加大，使前锁止滚柱处于伺服锁止的状态(当传动部件反向旋动，前、后锁止滚柱即换位，而瞬间锁止内外圈)，使所述离合器具备双向锁止功能。

操控双向电控滚柱锁止离合器结合或分离的凸轮拨挡器为多个凸峰、凹谷，且有一定弹性的空心曲面体；该弹性凸轮拨档器的空心内腔，经支板与拨挡轴相连。此弹性结构的凸轮拨档器，使强制滚柱施加于锁止滚柱顶持力具有弹性，解决了刚性拨档器无法满足锁止滚柱需增加或减少位移量，以适配离合器的锁止问题，避免离合器的工作失灵。

拨档器凸峰、凹谷所对应的圆心角的大小，取决于共用拨挡轴的凸轮拨档器，所操控的滚柱锁止离合器类型、数量、工况。

如本发明实施例，设置在塔齿轴内腔的凸轮拨档器，由同一伺服电机操控一个双向、两个单向滚柱锁止离合器的结合或分离，实施直接挡驱动或发动机拖拽车辆减速。各离合器的工况要求：(1)双向滚柱锁止离合器结合，两部单向滚柱锁止离合器皆分离(塔齿轴经拾速塔轮轴传动)；(2)双向滚柱锁止离合器结合，两单向滚柱锁止离合器一结合、一分离(直驱挡传动)；(3)双向滚柱锁止离合器结合，两单向滚柱锁止离合器一分离、一结合(发动机拖拽车辆减速)；(4)双向滚柱锁止离合器分离，两单向滚柱锁止离合器皆分离(切断发动机驱动力)。

双向及两单向滚柱锁止离合器凸轮拨档器的凸峰弧面，对应圆心角的大小，应使强制滚珠的位移驱使各离合器达到上述工况要求，才能使ECU操控的伺服电机旋动获得所需的传动效应。

有益效果：

应用电控滚柱锁止离合器的本发明，由行车电脑ECU直控伺服电机实施挡位切换，省却现有技术需压力油操控变速箱换挡的环节，可使变速箱操控更简捷，且体积缩小、挡位增多、效率提高，制造和使用成本降低。同时，因各传动齿轮副与传动轴皆设置单向离合装置，使得挡位切换顺畅无顿挫感及传动力间断。

附图及说明：

图1是实施例16速电控自动变速箱传动机构示意图；

图2是双向电控滚柱锁止离合器①的结构图；

图3是单向电控滚柱锁止离合器②、②’的结构图；

图3-1是塔齿轴11与输出轴12经离合器②、②’连接示意图；

图3-2是现有技术单向轴承(单向离合器)离、合结构示意图；

图4是直驱挡电控滚柱锁止离合器①、②、②’传动关系示意图；

图5是拾速塔轮轴与基3挡外齿轮23组成的单向电控滚柱锁止离合器③的结构示意图；

图6是拾速塔轮轴5个基挡电控滚柱锁止离合器工作关系图；

图7是星排联动器结构剖面示意图；

图8是拾速塔轮轴4个变压挡(含2虚拟挡)的滚柱锁止离合器④的强制滚柱圆周错位关系图；

图9是P、D1、R挡滚柱锁止离合器⑥、

⑤离、合工作关系图；

图9-1、9-2、9-3是挂入P挡时，离合器⑥、

⑤工况图；

图9-4、9-5、9-6是挂入R挡时，离合器⑥、

⑤工况图；

图9-7、9-8、9-9是挂入D1挡时，离合器⑥、

⑤工况图；

图9-10、9-11、9-12变速箱输出切断时，离合器⑥、

⑤工况图；

图中：①、②、②’、③、④、⑤、⑥、

电控滚柱锁止离合器；⑦星排联动器；⑧、⑨、⑩伺服电机；

单向轴承；10输入轴；10’套轴；11塔齿轴；11’镂空孔；11”锁止坡道；12输出轴；13拾速塔齿轮轴；14惰轮轴；15直驱离合轴；16基挡拨挡轴；17变压挡拨挡轴；18倒挡停车挡拨挡轴；15’、15”、16’、17’、18’凸轮拨挡器；16”、17”、18”、66凸轮坡道；19集电环；20变速箱壳体；21、22、23、24、25基挡外齿轮；26、27、28变压挡外齿轮；21’、22’、23’、24’、25’塔齿轴齿轮；26’、27’、28’、29’输出轴外齿轮；29”倒挡惰轮；30强制滚柱；31、32锁止滚柱；31’、32’锁止坡道；33锁压弹板；34、64拨挡器凸峰；34’拨挡器凹谷；40、40’、50、60、60’、60”强制滚柱；41、51、61锁止滚柱；42、52锁压弹板；43、53弧形支杆；43’、53’弧形托板；44、45、46、47、54、55强制滚柱；47’离合临界线；62弹簧顶销；67内圈；68外圈；161星排联动器太阳轮；171星排联动器星轮；t触点切线；z凸轮斜面引线；γ触点切线t与z的夹角；α圆心角；v、v’轮轴旋速；θ、θ’挡位重叠角；D1低速前进挡；F1、F2挤出力；F1’、F2’分力；u、u’主动件旋速；t锁止点切线；t’锁止坡道延长线；β锁止角。

具体实施方式：

(一)电控滚柱锁止离合器

1、双向电控滚柱锁止离合器及实施方式

图1中，b轴线的①、⑥为双向电控滚柱锁止离合器，以离合器①为例，阐述双向电控滚柱锁止离合器及具体实施方式。

图1、图2示，变速箱输入轴10与套轴10’固结；塔齿轴11、套轴10’为电控滚柱锁止离合器①的内、外圈，即离合器①的两传动部件。由图2可知，双向电控滚柱锁止离合器①，由外圈10’、内圈11、置放于锁止坡道31’、32’的锁止滚柱31、32，及与滚子31、32相切的强制滚柱30、锁压弹板33组成。

上述离合器①的结构，使其基态(强制滚柱30无离心位移)时具有轴承功能；体现在受锁压弹板33、强制滚柱30的合力维系，锁止滚柱31、32基于所在内圈11的锁止坡道31’、32’上，支撑外圈10’旋转。锁压弹板33及大于自锁角坡度的锁止坡道31’、32’，约束着高速旋转的锁止滚柱31、32及强制滚柱30的离心位移，助力各锁止滚柱随强制滚柱30顶持力的撤销及时退出锁止部位。

图1、图2中，当设置在塔齿轴11内腔的伺服电机⑧，驱动其转轴即直驱离合轴15，带动凸轮拨挡器15’旋转角度α时，强制滚柱30则在凸轮拨挡器15’的旋动力矩驱使下，触及并沿凸轮拨挡器15’的坡面由凹谷34’逐渐滚转至凸峰34位置；此情使强制滚柱30在内圈11的镂空孔洞11’内离心位移，驱使锁止滚柱31、32沿各自坡道31’、32’楔入内圈11、外圈10’的狭窄处；受内、外圈夹持及其旋入力偶的作用，锁止滚柱31或32将内圈11、外圈10’锁止为一体，使内圈11随外圈10’以发动机的转速V旋转。

离合器①结合初期，外圈10’与内圈11的相对旋动及离合器结合后内外圈转矩传动中，内外圈各锁止点对大于自锁角坡道31’、32’上的锁止滚柱31、32皆产生挤出力，该沿前后坡道退出狭窄处的挤出力的分力F1、F2方向相反，通过强制滚柱30相互作用。因外圈10’以转速V顺时向旋转，其与内圈11的相对旋动形成的力偶，使锁止滚柱31、32皆顺时向旋动，而沿坡道31’旋入、32’旋出(锲入、退出)内外圈；使得锁止滚柱32获得的挤出力大于31，即F2＞F1。

F2的存在，使强制滚柱30仅需自凸轮拨档器15’处，获得突破锁压弹板33形变的弹力及挤出力的分力F1’、F2’，即可将锁止滚柱31、32推送至内外圈的狭窄处，内外圈对锁止滚柱32产生的挤出力F2，抵消锁止滚柱31的旋出力抵消F1后，助力强制滚柱30驱使前锁止滚柱31楔入内、外圈锁止部位，使所述离合器顺利结合。

图2中，强制滚柱30在凸轮拨挡器15’的顶持下，克服锁压弹板33的形变弹力、挤出的分力，驱使前锁止滚柱31楔入并将内、外圈锁止；后锁止滚柱32虽受强制滚柱30顶持，但因内外圈旋动力偶的作用使其旋出锁止点，而处于伺服锁止状态；即一旦传动元件(外圈或内圈)旋向改变时，前、后锁止滚柱31、32位置转换，锁止滚柱32变为前锁止滚柱，瞬时锁止内、外圈。

图2中，电控滚柱锁止离合器①的强制滚柱30的设置数量，不应低于3个，具体数量由所述离合器①内、外圈锁止时所需传动力矩的大小决定。

凸轮拨挡器15’为多边形弹性壳体；其弹性力应能驱使强制滚柱30突破锁压弹板33及挤出力的约束离心位移，驱使锁止滚柱31、32楔入内、外圈(11、10’)狭窄处锁止内外圈；且还应满足当锁止滚柱31或32楔入锁止点的位移，与顶持其位移的强制滚柱30的位移不匹配时，凸轮拨挡器15’的弹性形变予以调整适配。

凸轮拨挡器15’的弹性结构，使顶持锁止滚柱31、32的强制滚柱30具有弹性位移功能，避免刚性拨挡器顶持强制滚柱位移过量或不足，导致所述离合器①工作失灵的现象发生。

凸轮拨挡器15’的弧形凸峰34及凹谷34’所对应的圆心角的大小，由滚柱锁止离合器的锁止点数量、凸轮拨挡器可操控的离合器数量、离合器的类型、及各离合器工况要求等确定。

本实施例中，双向电控滚柱锁止离合器①的凸轮拨档器15’的凸峰34所对应的圆心角为其凹谷34’的3倍(见图2)。

凸轮拨挡器15’凹谷34’至凸峰34的前后斜面66(见图2)，是为减小伺服电机⑧的拨挡轴15的旋动阻力，使凸轮拨档器15’顺利将强制滚柱30由凹谷拨顶至凸峰设计；伺服电机的正反旋皆可利用其坡度，使强制滚柱30自凹谷顺利滑升至凸峰，使所操控的离合器顺利结合。

伺服电机⑧与ECU的数据及动力线路，经设置在塔齿轴11上的高速集电环19连接，以操控塔齿轴11内腔高速旋转的伺服电机⑧的旋动。

图2中，伺服电机⑧顺(或逆)时旋转α角度，使强制滚柱30由凸轮拨档器15’的凹谷34’移动至凸峰34时，强制滚柱30的离心位移驱使锁止滚柱31(或32)楔入内外圈狭窄处，在外圈10’(或内圈11)旋转与内圈11(或外圈10’)的相对旋动产生的旋入扭矩，夹持锁止滚柱31(或32)沿其坡道顺(或逆)时旋转，驱使楔入狭窄处的锁止滚柱31(或32)锲紧内外圈至锁止。

即电控滚柱锁止离合器①结合，其内或外圈主动时皆可传动，而具有双向传动功能。

2、单向电控滚柱锁止离合器及具体实施方式

单向电控滚柱锁止离合器的主动部件只能一个方向传动，向另一方向传动时，两传动部件自动分离。

图1中，b轴线滚柱锁止离合器②、②’、⑤、

a轴线拾速塔轮轴13与各基挡、变压挡外齿轮组合而成的滚柱锁止离合器③、④皆为单向电控滚柱锁止离合器。

图1示，单向电控滚柱锁止离合器②、②’置放于b轴线塔齿轴11内腔，用于与输出轴12的离、合连接。

图3中，图A-A、B-B分别为滚柱锁止离合器②、②’的结构剖面图；由图可知，所述离合器②、②’的结构相同、安装方向相反。可以看出，所述离合器②、②’与现有技术单向轴承(单向离合器)的结构相似。

一对反向安装的单向滚柱锁止离合器②、②’若同时结合时，具有双向滚柱锁止离合器①的功能；此处，取用单向电控滚柱锁止离合器单独使用时的功能。

以离合器②为例，单向电控滚柱锁止离合器及具体实施方式：

单向电控滚柱锁止离合器②，由外圈12、内圈11、强制滚柱40、锁止滚柱41、弧形支杆43、锁压弹板42、凸轮拨档器15”等组成(详见图3)。

单向电控滚柱锁止离合器②，与即现有技术的滚柱式单向轴承(单向离合器)图3-2对比可知：(1)两者的锁止滚柱皆处于略大于自锁角的内圈星轮坡道上，皆具有单向传动的特性；(2)单向轴承弹簧顶销62的功能，由本发明离合器②的凸轮拨档器15”、强制滚柱40锁压弹板42替代，即凸轮拨档器15”顶持强制滚柱40的分力、锁压弹板42形变产生的弹力，为驱使锁止滚柱41楔入并锁止内外圈的基本力；(3)单向轴承分离或结合，依赖离合传动部件的工况改变，而本发明的离合器②由伺服电机驱动凸轮拨档器15”旋转，操控所述离合器的分离或结合。

在所述离合器②的内圈11，径向镂空制作一个可置放强制滚柱40的孔洞，孔洞的大小使强制滚柱40裸露，但不能落入内圈腔内。沿内圈11的圆周均距铣切出数道置放锁止滚柱41的坡道11”(将内圈制作成星轮)，坡道11”之一应贯穿镂空孔洞，以使坡道上的锁止滚柱41与受锁压弹板42压抑处于基态的强制滚柱40相切；此基态状的离合器②由基于内圈星轮坡道11”上的各锁止滚柱41，支撑外圈旋转而具有轴承功能。内、外圈即11、12之间的弧形支杆43固定各锁止滚柱间距，以确保强制滚柱40离心位移时与锁压弹板42共同作用，驱使首位锁止滚柱41顶持各锁止滚柱41楔入内外圈11、12的驱使狭窄处，使离合器结合。

上述内圈星轮坡道11”及锁止滚柱41的数量，由离合器内外圈锁止时需传动力矩的大小确定。坡道11”的坡度，应满足伺服电机⑧驱动的凸轮拨档器15”通过顶持强制滚柱40、锁压弹板42顺利使各锁止滚柱41楔入内外圈狭窄处并将之锁止为前提；且还应满足，坡道上的锁止滚柱41不能自锁，及当强制滚柱40的顶持力撤去后，内外圈的相对旋动或传动对各锁止滚柱41产生的挤出力，使各锁止滚柱退出锁止部位。锁止坡道的坡度设计，参见化学工业出版社，第五版《机械设计手册》第2卷第六册第三章第307页，单向轴承设计的相关参数。

3、操控单向轴承离合的实施方式及在本发明中的应用

图3-2现有技术的单向轴承(单向离合器)，其较本发明的单向电控滚柱锁止离合器径级小、结构简单使用更加可靠；配合本发明电控滚柱锁止离合器的使用，可实时操控单向轴承的离、合，以替代单向电控滚柱锁止离合器获得更大的传动比。

图1中，a轴线的单向轴承

b轴线的单向轴承

为单向轴承在本发明变速箱的应用部位；尤其是单向轴承

可由变压挡离合器④的转换操控其离、合。

图1中，单向轴承

内圈与拾速塔轮轴13固结，外圈即为外齿轮26；因外齿轮26的齿数为变压挡中最少，故主动轮时为最大传动比的变压1挡；其他变压挡外齿轮如27、28，因齿数较多相应其主动时传动比较小，被称为变压2、3挡。

若传动比较小的变压2挡与变压1挡，同时驱动输出轴12上各自的齿轮副26’、27’时，则拾速塔轮轴13经变压2挡驱动输出轴12的转速，高于变压1挡经单向轴承

的驱动。较高转速的输出轴12经外齿轮26’驱使单向轴承

的外齿轮26超越本为主动部件拾速塔轮轴13逆时向旋转，使得单向轴承

处可超越工况而自动分离。

上述变压1、2挡同时驱动输出轴12时，若变压挡拨档器驱使变压2挡的离合器④分离，即变压2挡不传动；则驱动输出轴12旋转的仅为变压1挡。即当速比较小的变压挡滚柱锁止离合器④分离时，单向轴承

传动，而一旦速比小于变压1挡的变压挡传动，则变压1挡的单向轴承

自动分离；使得单向轴承

的离、合传动具有可操控性。

当图1中，a轴线的外齿轮27、28与b轴线外齿轮27’、28’构成齿轮副，外齿轮27’、28’皆经单向轴承

驱动输出轴12旋转。若伺服电机⑨经拨挡轴16、17驱动凸轮拨档器17’同时挂入外齿轮27、28所在变压挡(使两挡的离合器④结合)，则两变压2、3挡同时传动。因齿轮副27的传动比大于齿轮副28，即外齿轮28’驱动输出轴12的转速大于27’；使得外齿轮27’的单向轴承

的内圈(输出轴12)的转速大于其外圈(外齿轮27’)而超速旋转，该单向轴承

则自动分离，输出轴12则由齿轮副27自动切换成齿轮副28驱动，即变压2挡自动升至变压3挡。

由上可知，单向轴承融入传动齿轮、轴，确保升档自动、无传动力间断。

(二)星排联轴器的实施方式

星排联轴器⑦设置在a轴线拾速塔轮轴13内腔；利用星排联轴器⑦，可使a轴线伺服电机⑨操控各基挡、变压挡的滚柱锁止离合器③、④实施离合转换，使各基挡、变压挡一一形成复合挡，驱动输出轴12旋转。图1、图7示显示，星排联轴器⑦的内齿圈、太阳轮、行星架，分别与拾速塔轮轴13、基挡的拨挡轴16、变压挡的拨挡轴17固结。

前述星排(行星齿轮机构)的三传动构件，皆随拾速塔轮轴13同步旋转，处于同一运动系；故以拾速塔轮轴13为参照的运动分析与静止系相同。

为使同一部伺服电机⑨操控的拾速塔轮轴13上的各基挡(外齿轮21、22、23、24、25、26所在挡)与各变压挡(外齿轮26、27、28所在挡)逐一形成复合挡，星排联动器⑦应使各基挡每循环变换一次，变压挡变换一挡。

例如：拾速塔轮轴13的变压挡设有二挡，则基挡拨挡轴16旋转1周(各基挡变换1次)后，经星排联动器⑦使变压挡拨挡轴17旋转，使得变压挡变换一挡(由变压1挡升至2挡)；若基挡拨挡轴16旋转2周(基挡循环变换2次)后，星排联动器使变压挡拨挡轴17旋转1圈(经变压1挡、2挡传动后回归变压1挡)。

对应本实施例16速自动变速箱的5个基挡、4个变压挡(含2个虚拟挡)。5个基挡的单向滚柱锁止离合器③，沿拾速塔轮轴13长度及圆周方向错位设置，其长度方向的错位，应满足各基挡外齿轮相互无传动干涉；其圆周方向错位，应使各裸露出基挡离合器内圈(拾速塔轮轴)的强制滚柱相互错位的圆心角360°÷5＝72°。

融入拾速塔轮轴13的变压挡单向滚柱锁止离合器④，有2个实挡、2个虚拟挡；沿拾速塔轮轴13圆周方向相互错位圆心角为90°(360°÷4)，其中两虚拟挡各占90°区域。

基1挡、变压1挡(虚拟1挡)的强制滚柱，在拾速塔轮轴13轴壁裸露的位置应满足，基挡、变压挡的凸轮拨档器16’、17’，使基1挡、变压1挡同时传动(基1挡的单向电控滚柱锁止离合器③、变压1挡的单向轴承

结合)，且还应满足各基挡自基1挡循环变换一圈，变压挡自变压1挡变换一挡。

就本实施例，每一变压挡对应5个基挡的变换，皆可组成5个不同传动比的复合挡。

使星排联动器⑦内齿圈的齿数，制作为其太阳轮的3倍；依照行星齿轮机构运动特性，当太阳轮旋转一圈，则其行星架旋转1/4圈，即90°。如此，当基挡拨挡轴16驱动基挡拨挡器16’旋转360°，使各基挡逐一切换；经星排联动器⑦拨挡轴16使得变压挡拨挡轴17，带动其凸轮拨挡器17’旋转90°，使变压挡跳转为另一挡。

由上可知，星排联动器⑦使拾速塔轮轴13的基挡与变压挡具备逐一组成复合挡的条件。

若基挡拨挡轴16旋转四圈，实施基1至5挡的四次循环变换，相应变压挡恰完成1至4挡的逐一变换。

当变压挡的凸轮拨档器17’处于虚拟1挡的90°区域(图8中虚拟强制滚柱55所在区域)，单向轴承

所在的变压1挡传动；对应基挡拨档器16’的一次360°旋转，拨档器17’跨越虚拟1挡的90°区域，顶持强制滚柱50使外齿轮27的离合器③结合，输出轴12的驱动由虚拟1挡(变压1挡传动)转换为变压2挡。

上述，经星排联动器⑦使变压挡处于虚拟1、2挡时，各变压挡离合器④皆分离，其为拾速塔轮轴13经单向轴承

(变压1挡)传动、直驱挡(发动机→塔齿轴→输出轴)传动的必要条件。

(四)拾速塔轮轴基挡、变压挡复合传动实施方式

图1中，拾速塔轮轴13与外齿轮21、22、23、24、25分别组成基1、2、3、4、5挡的滚柱锁止离合器③；与外齿轮26组成变压1挡的单向齿轮

与外齿轮27、28则组成变压2、3挡的滚柱锁止离合器④。

各基挡外齿轮与所啮合的塔齿轴11的齿轮，组成基1、2、3、4、5挡齿轮副；各变压挡外齿轮26、27、28与输出轴12上所啮合的齿轮组成变压1、2、3挡齿轮副。

变压1挡的齿轮副，在输出轴12上体现为两个，即D1挡外齿轮26’及R挡外齿轮29’，其分别经单向电控滚柱锁止离合器

⑤与输出轴12融入一体；ECU操控的伺服电机⑩驱动拨挡轴18及凸轮拨档器18’，操控D1或R挡的切换，驱动输出轴12顺时或逆时旋转(参见图1、图9-1、9-2)。

图5为将各基挡外齿轮21、22、23、24、25与拾速塔齿轮轴13融为一体的电控滚柱锁止离合器③的结构示意图(以外齿轮23所在的基3挡的离合器③的剖面为示例)。

图5显示，离合器③由外圈(外齿轮23)、内圈(拾速塔齿轮轴13)、强制滚柱40、锁压弹板42、若干锁止滚柱41及支撑锁止滚柱的弧形支杆43组成；拾速塔齿轮轴13内的拨挡轴16及其凸轮拨挡轴16’，操控各基挡离合器③的离合转换。

凸轮拨挡器16’长度触及裸露于拾速塔轮轴13内腔的各基挡离合器③的强制滚柱44、45、40、46、47；凸轮拨挡器16’的弧形凸面，对应的圆心角为360°/基挡个数。本发明5个基挡的实施例，拨挡器弧面凸轮对应圆心角为360°/5＝72°(见图6-1)。

实践中，为使凸轮拨档器16’同时与相邻两挡离合器③的强制滚柱作用，使两挡同时传动，凸轮拨档器弧面对应的圆心角为72°+θ。θ的大小为凸轮拨档器16’顶持相邻两挡强制滚柱使两挡同时传动的最小值。图5-1、5-2中，凸轮拨挡器16’前或后坡道16”与强制滚柱在初始触点切线的夹角γ应＜45°，以减小伺服电机⑨驱动凸轮拨挡器16’顶持强制滚柱40位移的阻力。

离合器③中，驱使并维持各锁止滚柱41锁止或支撑内外圈工作的为强制滚柱40、锁压弹板42、弧形支杆43、锁止坡道13’。强制滚柱40受凸轮拨挡器16’顶持使锁压弹板42形变，而产生弹性反作用力，该力的分力与凸轮拨挡器16’顶持强制滚柱40位移力的作用，驱使并通过首位锁止滚柱41，经弧形支杆43使各锁止滚柱沿各自坡道13’楔入内圈(拾速塔轮轴13)与外圈(外齿轮23)的狭窄处；在外齿轮23主动(由啮合的塔齿轴11驱动逆时向旋转)作用下，使各锁止滚柱旋紧将内、外圈锁止一体(锁止实施方式同前述滚柱锁止离合器①)；基3挡齿轮副(塔齿轴11啮合的外齿轮23)将发动机的转矩，经基3挡锁止的离合器③传至拾速塔轮轴13，驱动拾速塔轮轴13以基3挡的速比旋转。

图5-2中，当基3挡离合器③的外圈23低于其内圈拾速塔轮轴13的转速(传动比较小的基挡驱动拾速塔轮轴13旋转所致)，即内圈(拾速塔轮轴13)的逆时向转速V大于外圈(外齿轮23)转速时，似同内圈静止外圈以V’的速度顺时向旋转，其使离合器③的各锁止滚柱41获得顺时向旋转力矩，该旋出内外圈狭窄处的力矩驱使各锁止滚柱41反作用于强制滚柱40，欲退出锁止部位；因凸轮拨档器16’的刚性顶持，使得强制滚柱40无法沿镂空孔洞返回，各锁止滚柱旋出力的合力经强制滚柱40迫使锁压弹板42弹性形变，退出锁止点，该挡的滚柱锁止离合器③分离。此情似同现有技术单向轴承的超越工况。

上述情形说明，当某基挡离合器③的内圈拾速塔齿轮轴13，逆时向超速旋转时，该档的离合器③自动分离，而具有单向传动性。亦即，两基挡同时传动时，传动比较小的基挡自行顶替传动比较大的基挡传动。拾速塔轮轴13与各基挡外齿轮，组成的滚柱锁止离合器③的方法及实施方式：在滚柱锁止离合器③的传动部件--拾速塔轮轴13上，对应各基挡、变压挡单元区位，螺旋错位各镂空一个用于置放强制滚柱的孔洞；所述孔洞沿轴线方向错位间距，应使基挡外齿轮传动无干涉；沿圆周方向错位角度，为360°÷基挡(变压挡)数，参见图6-1、图8。

图6-1、6-2示，基1、2、3、4、5挡滚柱锁止离合器③的各强制滚柱44、45、40、46、47相互错位72°。

滚柱锁止离合器③的上述结构，使凸轮拨挡器16’的弧形凸面宽度，可触及相邻两基挡强制滚柱并使之离心位移，使两挡的离合器③皆结合而传动；即凸轮拨挡器16’旋转至相邻挡临界面47’(升或降挡)时，其略大于强制滚柱错位角θ的凸轮拨挡器，顶持相邻两挡离合器的强制滚柱，驱使相邻挡离合器皆锁止，使两挡同时在挡传动。

如基3挡(基挡外齿轮23所在挡)切换为基4挡(外齿轮24所在挡)时，在基3、4挡临界面47’，凸轮拨挡器16’的坡道16”引渡基3、4挡的强制滚柱40、46至凸轮拨档器16’的凸峰，使两强制滚柱40、46的离心位移，将两基挡的滚柱锁止离合器③锁止，而使两挡同时传动(见图6-2)。

图1示，两基挡外齿轮23、24皆啮合塔齿轴11，基3挡外齿轮23的直径(或齿数)大于基4挡的外齿轮24；基3、4挡同时传动时，塔齿轴11驱动基3挡外齿轮23的转速小于同时驱动的外齿轮24。

上述情形，若外齿轮23、24的滚柱锁止离合器③皆分离，则基挡外齿轮23、24以不同的转速绕离合器③的内圈拾速塔轮轴13空旋，且前者转速小于后者。若基挡外齿轮23、24融入拾速塔轮轴13的离合器③皆结合，则两齿轮23、24共同驱使拾速塔轮轴13逆时向旋转(发动机顺时向旋转所致)。滞后旋转的基3挡外齿轮23阻尼经单向滚柱锁止离合器③关联的内圈拾速塔轮轴13旋转，使得离合器③具备超越条件内外圈不再传动而自动分离，切断了经基3挡离合器③对拾速塔轮轴13的驱动，由基4挡的驱动顶替。

上述基3、4挡即低挡升为较高速挡，变速箱体现为挡位切换平顺、无驱动力间断。

若高挡降为较低速挡，以基3挡降为基2挡为例：图1、图6中，伺服电机⑨驱动拨挡轴16逆时向旋转72°+θ，则凸轮拨挡器16’由驱使基3、4挡共同传动位置，经驱动基3挡独自传动后，转由基3、2挡共同传动；凸轮拨挡器16’顶持强制滚柱40、45促使基3、2挡的滚柱锁止离合器③结合使基2、3挡同时传动(见图6-3)。如前所述，两基挡外齿轮(被动)共同传动的实质是，传动比较小的基挡外齿轮23传动，基挡2的外齿轮22的传动滞后而被内圈(拾速塔轮轴13)转速超越，驱使其锁压弹板42形变而自动分离，内外圈不再传动。当拨挡轴16继续逆时向旋动，强制滚柱40失去顶持，基3挡的离合器③解锁分离传动被切断，相应内圈拾速塔轮轴13转速降低，接近基2挡外齿圈22转速时，基2挡滚柱锁止离合器③失去可超越条件，弹性形变的锁压弹板42驱使强制滚柱40使各锁止滚柱41回归锁止部位自动结合，接替离合器③分离退出传动的基3挡。

车辆需降速时，因暂缓加油使发动机转速降低，相应ECU控制的变速箱自动降挡以与车速匹配，此是上述高挡切换为低挡，无顿挫感及动力间断的因素之一。

拾速塔轮轴13与各变压挡外齿轮组成滚柱锁止离合器④的方法及实施方式：图8为变压挡外齿轮27、28与拾速塔齿轮轴13融为一体的电控滚柱锁止离合器④的结构示意图(以外齿轮27所在变压2挡离合器④的剖面为例)。

图8中，55、50、55’、54分别为虚拟1(变压1挡)、变压2、虚拟2(直驱)、变压3挡离合器④的强制滚柱。其中，55、55’为虚拟强制滚柱(无实体存在)，主要为匹配变压1挡、直驱挡传动设置。各变压挡离合器④的强制滚柱55、50、55’、54在拾速塔轮轴13上的镂空孔洞螺旋错位角度，与各基挡离合器③的强制滚柱错位角度相同，即为360°÷(2+2)＝90°(2个变压挡、2个虚拟挡)。

操控变压挡离合器④离合的凸轮拨挡器17’弧面所对应的圆心角为90°+θ’；即凸轮拨挡器17’每顺或逆时旋转90°，即可驱使变压挡升或降1挡。如：凸轮拨挡器17’自虚拟1挡(变压1挡)强制滚柱起顺时向旋转360°，则可使各变压挡离合器④(含虚拟挡)循环变换一次，即由虚拟1挡(变压1挡)、变压2挡、虚拟2挡、变压3挡回归虚拟1挡区域。

θ’角度，应满足凸轮拨挡器17’的弧面，可覆盖相邻两变压挡离合器④的强制滚柱，使两变压挡离合器④皆锁止传动；且θ’角度，还应满足当基挡拨挡器16’自基1挡，顺时旋转360°由最高挡(基5挡)降至基1挡时，经星排联动器⑦驱动的变压挡凸轮拨挡器17’(含θ’角)恰使变压挡升1挡(如虚拟1挡切换为变压2挡，或变压2挡切换为虚拟2挡)且同步。

由于，基挡拨挡轴16经星排联动器⑦变换的转速＝变压挡拨挡轴17的4倍，因此，θ’应为θ角度的4倍，以达到基挡拨档器16’每旋转360°由最高挡降为最低挡与变压挡升挡同步；使变压挡升档后重新组合的复合传动比小于升挡前，确保变速箱升档传动连续、无动力间断。

图8中，虚拟1、2挡对应的虚拟强制滚柱为55、55’；变压2、3挡对应的强制滚柱为50、54。当凸轮拨挡器17’处于虚拟挡强制滚柱55位置的90°区域时，变压2、3挡无传动；各基挡的传动由拾速塔轮轴13与外齿轮26组成的单向轴承

传递至输出轴，即变压1挡传动。

顺时向旋转的凸轮拨挡器17’自虚拟1挡区域，转换为顶持强制滚柱50时，变压2挡(外齿轮27所在挡)传动，其间凸轮拨挡器17’在虚拟1挡与变压2挡档位分界线时，变压1、2挡同时传动；因变压2挡的传动比小于变压1挡，变压2挡自动替代变压1挡驱动输出轴旋转；随凸轮拨档器17’的旋转退出虚拟挡区域，由变压2挡独自传动。

由图8不难发现，电控滚柱锁止离合器④、③的结构相同，即亦具有单向离合器功能。

伺服电机⑨驱动的凸轮拨档器16’使某基挡滚柱锁止离合器③结合时，拾速塔轮轴13则由该档齿轮副自塔齿轴11拾取传动；并由结合的滚柱锁止离合器④或单向轴承

所在变压挡齿轮副构成复合挡驱动输出轴12旋转；变压挡的传动即为复合传动。随伺服电机⑨的旋转，拾速塔轮轴13经各基挡齿轮副拾取不同的传动比，经速比不同的变压挡齿轮副传递至输出轴12，驱动车辆运行。

(五)直驱挡传动实施方式

直驱挡传动部件，设置在图1中的b轴线；图1中，输入轴10、输出轴12分别经滚柱锁止离合器①及②、②’与塔轮轴11相连，当滚柱锁止离合器①、②或②’结合时，直驱挡传动。

图1中，操控直驱挡的伺服电机⑧设置于塔齿轴11的内腔，其转子拨挡轴15上固结的凸轮拨档器15’、15”分别操控着滚柱锁止离合器①、②或②’的结合或分离，使发动机可直驱车辆前行或拖拽车辆减速。发动机直驱车辆或拖拽车辆减速，系直驱挡滚柱锁止离合器①、②、②’离合转换的结果。

车辆驻停时，变速箱各滚柱锁止离合器基态工况：(1)离合器①、②、②’分离；(2)基1挡(外齿轮21)的离合器③结合其余基挡的离合器③分离，变压挡处于1挡(虚拟挡)；(3)P挡离合器⑥结合，离合器⑤、

分离。

图3中，图A-A、B-B分别为电控滚柱锁止离合器②、②’的结构剖面图；结合图1、图5可知，电控滚柱锁止离合器②、②’为结构相同安装方向相反的单向电控滚柱锁止离合器，其实施方式与拾速塔轮轴13上的单向电控滚柱锁止③、④相同。

前述，滚柱锁止离合器①为双向电控滚柱锁止离合器，图4-1示，滚柱锁止离合器①的凸轮拨档器15’的凹谷34’、凸峰34对应的圆心角分别为α及3α；滚柱锁止离合器①共有6个锁止单元即4α×6＝360°由此可知，α＝15°。

图1中，伺服电机⑧驱动直驱挡拨挡轴15顺时旋动15°，使基态时分离的离合器①结合(见图4-4)；则发动机经输入轴10、套轴10’驱动塔齿轴11旋转。此时，离合器②、②’依然处于基态时的分离状态。

上述情形，变速箱以传动路径A传动，即：发动机→输入轴10(10’)→离合器①→塔齿轴11→基挡外齿轮21、22、23、24、25之的离合器③→拾速塔轮轴13→单向轴承

或离合器④→变压挡外齿轮26、27(不含28)之一→外齿轮26’、27’(不含28’)、29’之一→离合器

或⑤或者单向轴承

→输出轴12，驱动车辆运行。

若伺服电机驱使直驱挡拨挡轴15逆时向旋转15°，则滚柱锁止离合器①复又回至基态的分离状态(见图4-1)，此时，发动机与变速箱的连接被切断；离合器①、②、②’的工况，见图4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6。

上述滚柱锁止离合器①的离合，使得发动机与变速箱连接可按需切断或接通，以匹配发动机自启动功能及变速箱挡位切换。

当ECU指令的伺服电机⑧顺时旋动30°，基态时分离的离合器①、②则结合②’依然分离(见图4-7、4-8、4-9)，变速箱的传动分两路进行。

第一路，为上述传动路径A，以该路径传动的各挡传动比皆大于1。

第二路，为直驱挡传动：发动机→输入轴10(10’)→离合器①→塔齿轴11→离合器②→输出轴12，驱动车辆运行；该挡传动比＝1。

由于第二路直驱挡传动比为1，小于第一路的传动比，两路同时驱动输出轴12顺时向旋转的实质为直驱挡驱动。即直驱挡的传动，超越路经A中由外齿轮26’或27’经单向滚柱锁止离合器

或单向轴承

对输出轴12的驱动，传动路径A中的单向滚柱锁止离合器

或单向轴承

自动分离，亦或导致拾速塔轮轴13上的单向轴承

或变压2挡的单向滚柱锁止离合器④自动分离；即变速箱转换为直驱挡顺畅、且无动力间断。

直驱挡的传动比小于传动路径A中最小速比10挡即复合挡(5-2)，又略大于经拾速塔轮轴13传动的基1挡及变压3挡(复合挡1-3)的传动比，故将直驱挡称为11挡，复合挡1-3称为12挡。

车辆滑行，需发动机拖拽车辆减速时，ECU指令伺服电机⑧在直驱挡传动基础上，使直驱拨档轴15继续顺时旋动15°，使得离合器②分离，离合器①、②’结合(见图4-10、4-11、4-12)；由直驱挡由离合器②传动转换为离合器②’传动，形成拖拽挡。

发动机的顺时向转矩，经结合传动的双向滚柱锁止离合器①、塔齿轴11、及结合传动的单向滚柱锁止离合器②，驱动输出轴12旋转；此情使得车辆惯性驱使输出轴12的顺时向转矩，回传发动机时因单向滚柱锁止离合器②处于可超越工况自动分离而切断，故由滚柱锁止离合器②切换反向安装的单向滚柱锁止离合器②’，以实施发动机怠速拖拽、阻尼车辆的减速。

当ECU指令伺服电机⑧在图4-10位置，继续顺时旋动15°(或30°)，离合器①、②、②’皆分离(或使离合器①结合，变速箱经由拾速塔轮轴13复合传动)，见图4-13、4-14、4-15(或4-16、4-17、4-18)。若变速箱需退出直驱挡时，ECU则指令伺服电机⑧驱使直驱拨挡轴经凸轮拨档器15”按上述挂挡方式逆向旋转。

直驱挡凸轮拨档器15’、15”的结构，使得直驱挡离合器①、②、②’的离合相协调。

旋转的凸轮拨档器15”触及离合器②的强制滚柱30并使离合器②结合(①结合、②’分离)时直驱挡的前进挡传动；若需转换为拖拽挡时，发动机供油暂停，发动机(塔齿轴11)的转速降低，即塔齿轴11必然低于输出轴12的顺时向转速(车辆惯性所致)，使得连接塔齿轴11及输出轴12的滚柱锁止离合器②自动分离；即直驱挡的拖拽挡挂挡、退档平顺。伺服电机⑧操控下离合器①、②及②’具有：a、离合器①、②、②’同时分离(变速箱空挡，无驱动力)；b、离合器①结合②及②’分离(变速箱经路径A传动)；c、离合器①、②结合②’分离(发动机直驱车辆)；d、离合器①、②’结合②分离(发动机拖拽车辆减速)。此是确保直驱挡传动的前提。

图1、图2及图4-1、4-2、4-3中，操控离合器①的凸轮拨挡器为15’操控离合器②、②’的为凸轮拨档器15”；两凸轮拨档器，共用的直驱离合轴15，且两凸轮拨挡器的凸峰34、凹谷34’有重叠、错位，使得两凸轮拨档器同轴旋转，按设置分别控制离合器①、②、②’结合或分离。

图3中，凸轮拨档器15”的直驱挡凸轮D、拖拽挡凸轮T的弧形凸峰64对应的圆心角皆为α，离合器②、②’的凸轮拨档器15”相同。离合器①的拨档器15’、与离合器②、②’的拨档器15”，共用同一拨挡轴15。

图4-1显示，离合器①分离时，其各锁止单元强制滚柱30，皆处于拨档器15’的凹谷34’位置；离合器②分离，凸轮拨档器15”的D凸轮距离强制滚柱40的圆心角为2α(见图3A-A剖面、图4-2)；离合器②’分离，据其强制滚柱40距拖拽挡凸轮T的凸峰64为3α(见图4-3)。

当伺服电机⑧驱动其直驱离合轴15顺时向旋转α时，离合器①结合(变速箱获得驱动力)；离合器②、②’依然分离，但其拨档器15”的D、T凸峰64分别旋近强制滚柱40、40’圆心角α，距离合器②、②’结合点相距离α、2α(见图4-5、图4-6)。

伺服电机⑧继续旋转α角度时，离合器①、②皆结合，离合器②’与结合点相距α角度。此时，直驱挡传动，即发动机经输入轴10、离合器①、塔齿轴11、离合器②驱动输出轴12旋转。

伺服电机⑧继续旋转α角度时，离合器①结合，离合器②分离，皆离合器②’结合。此时，发动机具备拖拽车辆减速的条件；其传动路径为：输出轴12、离合器②’、塔齿轴11、离合器①、输入轴10至发动机。

伺服电机⑧再继续旋转α角度时，离合器①、②、②’皆分离(见图4-13、4-14、4-15)。

如变速箱无需离合器退回基态，ECU可驱使伺服电机⑧使直驱挡拨挡轴15，在图4-13、4-14的状态下，前旋、后旋顺利实施接通、切断发动机驱动。亦可按需前旋挂入直驱挡、后旋挂入拖拽挡。此位置，拨档器15”，对离合器②、②’的操作简便易行，无需跨挡变换。

(六)变速箱具体实施方式

1、变速箱传动路径

前述基态时各滚柱锁止离合器工况：(1)离合器①、②、②’分离；(2)基1挡(外齿轮21)的离合器③结合，其余基挡的离合器③分离，变压挡拨挡轴处虚拟1挡；(3)P挡离合器⑥结合，⑤、

分离。

图1中，当ECU指令伺服电机⑧驱动直驱拨挡轴15顺时旋动15°，滚柱锁止离合器①结合、②、②’分离时，则发动机的转矩经塔齿轴11及所啮合的基挡外齿轮21、22、23、24、25之一的基挡离合器③传至拾速塔轮轴13，并经拾速塔轮轴13的单向轴承

或变压挡离合器④，传递至外齿轮26或27、28之一驱动输出轴12旋转。

上述传动为路径B：发动机→输入轴10(10’)→离合器①→塔齿轴11→基挡外齿轮21、22、23、24、25之一的离合器③→拾速塔轮轴13→单向轴承

或各离合器④→变压挡外齿轮26、27、28之一→外齿轮26’、27’、28’、29’之一→离合器

或⑤或者单向轴承

→输出轴12，驱动车辆运行。

ECU据各传感数据指令伺服电机⑧、⑨、⑩所控制各滚柱锁止离合器的离、合实施上述路径B的传动。

变速箱以1(或2)挡起步，ECU据信号即指令伺服电机⑩、⑧、⑨旋转，使基态时的离合器

结合、离合器⑥、⑤分离；基态的离合器①结合，②、②’分离；指令伺服电机⑨在360°以内旋转，实施基1(或基2)至基5挡变换。前述伺服电机⑩的旋转先解锁P挡的同时，伺服电机操控各离合器的结合或分离。

经传动路径B的上述传动，可使变速箱输出1(或2)至5挡，即复合挡1-1(或2-1)至5-1挡。该传动为路径一：发动机→输入轴10(10’)→离合器①→塔齿轴11→基挡外齿轮21至25的离合器③→拾速塔轮轴13→单向轴承

的外齿轮26→离合器

的外齿轮26’或29’→输出轴12，驱动车辆运行。

若伺服电机⑨自基1挡顺时旋转超过360°低于720°时，基1至基5挡进行第二次升挡循环；则经星排联动器⑦驱动变压1挡(基态虚拟1挡)升至变压2挡(外齿轮27所在挡)，使变速箱输出6挡至10挡(即复合挡1-2至5-2挡)。该传动为路径二：发动机→输入轴10(10’)→离合器①→塔齿轴11→基挡外齿轮21至25的离合器③→拾速塔轮轴13→离合器④的外齿轮27→单向轴承

→输出轴12，驱动车辆运行。

经变压1挡外齿轮26的传动路径一，自动转换为经变压2挡外齿轮27传动的路径二，系因齿轮副27的传动比小于齿轮副26，即传动路径二驱动输出轴12的转速，大于传动路径一的驱动，使得外齿轮26的单向轴承

自动分离，不再驱动输出轴12旋转。

2、变速箱具体实施方式

操纵杆自停车挡P位置，拨入D或D1挡，ECU获得信号即指令各相应伺服电机旋转，车辆以1挡或2挡(复合挡1-1或2-1)起步，变速箱以路径一实施传动。

随车辆正常加速，ECU指令伺服电机旋转相应角度，并适时组合挡位与车速相匹配。变速箱以路径一或二传动，可输出1至10挡(复合挡1-1挡至5-2挡)，实施方式见(四)拾速塔轮轴的基挡、变压挡传动实施方式。

车辆继续正常加速，变速箱10挡传动比不能与车速最佳匹配时，ECU即指令伺服电机⑧旋转挂入直接挡即11挡，同时，伺服电机⑨驱动拨挡轴16经星排联轴器⑦，使拨挡轴17的凸轮拨档器17”处于虚拟变压2挡区域，即传动比较小的11挡自动替代10挡传动后，10挡经拾速塔轮轴13的传动被切断，仅直驱挡即发动机经离合器①、塔齿轴11、离合器②、输出轴12传动。

ECU据车辆各传感参数，认为11挡非车辆加速所需最佳挡时，即指令伺服电机⑨驱动拨挡轴16旋转360°，经星排联轴器⑦使凸轮拨档器17”旋出虚拟2挡区域至变压3挡区域，外齿圈28的离合器④结合，齿轮副28、28’及其单向轴承

驱动输出轴12旋转，伴随拾速塔轮轴13的基1至基5挡的切换，变速箱可输出12至16挡(复合挡1-3至5-3)。

前述12挡的传动比小于直驱挡即11挡，两挡共同驱动输出轴12旋转的结果，使直驱挡的单向电控滚柱锁止离合器②自动分离；变压3挡齿轮副28传动后，ECU操控伺服电机⑧逆时向旋转15°，使直驱挡退挡。具体实施方式见(五)直驱挡传动实施方式及(四)拾速塔轮轴基挡、变压挡复合传动实施方式。

车辆滑行，需发动机拖拽车辆减速时，主动刹车使车辆减速，ECU据各传感数据指令伺服电机⑧使直驱挡拨挡轴15、凸轮拨档器15”旋转挂入拖拽挡，利用发动机怠速或停机阻尼车辆前行而减速；具体实施见(五)直驱挡传动实施方式。

倒挡R、停车挡P具体实施方式

图1示，倒挡、停车挡设置在b轴线输出轴12的空心内腔。滚柱锁止离合器⑤或⑥分别为倒挡R、停车挡P外圈与输出轴12相连的专用电控离合装置，变速箱的P挡、R挡皆由伺服电机⑩操控。

倒挡，系在变压挡齿轮副之间增加惰轮29”而构成；对应拾速塔轮轴13的若干个基挡的转换，可有若干个传动比的倒挡。停车挡滚柱锁止离合器⑥的外圈为变速箱壳体支座20，当该离合器结合时，其内圈(输出轴12)与支座固结一体而止动。

图9为控制P挡、D1挡(低速前进挡)、R挡滚柱锁止离合器⑥、

⑤、离合切换的结构示意图。

图9-1、9-2、9-3，分别为P、D1、R挡滚柱锁止离合器⑥、

⑤的结构剖面图，其中，离合器⑥与双向电控滚柱锁止离合器①的结构一致；离合器

⑤与滚柱锁止离合器②、②’的结构相同。

图9-1、9-2、9-3显示，P挡、D1挡、R挡的滚柱锁止离合器⑥、

⑤的外圈分别为变速箱壳体20、外齿轮26’、29’，内圈同为输出轴12；P挡离合器⑤的凸轮拨挡器为18’，D1挡、R挡的离合器

⑤共用凸轮拨挡器19’；三滚柱锁止离合器，由伺服电机⑩经拨挡轴18操控凸轮拨挡器18’及19’实施离合转换。

图9-1、9-2、9-3分别为P挡、D1挡、R挡的滚柱锁止离合器⑥、

⑤基态(驻车)时的离合状态，即离合器⑥结合P挡将输出轴12与变速箱壳体20锁止为一体；离合器

⑤分离。

图9-4、9-5、9-6为变速箱R挡传动时，P挡、D1挡、R挡的滚柱锁止离合器⑥、

⑤的离合状态。驾驶员将拨档杆拨入R挡，ECU即指令伺服电机⑩驱使拨挡轴18逆时向旋转角度α，凸轮拨档器18’退出对P挡离合器⑥的强制滚柱60的顶持，解除车辆的停车挡约束(图9-4)；凸轮拨档器19’的凸轮D1由距强制滚柱60’α变为2α弧度(图9-5)；凸轮拨档器19’的凸轮R顶持R挡离合器⑤的强制滚柱60”，使离合器⑤结合(图9-6)。a轴线的变压1挡外齿轮26(变压挡凸轮拨档器17’处于虚拟1挡区域)经惰轮29”驱动R挡外齿轮29’逆时向旋转，经结合的离合器⑤驱动输出轴12使车辆后行(见图1)。

图1中，当挂入R挡时，与输出轴12关联的滚柱锁止离合器②、②’、⑥、

皆分离；倒挡齿轮副带动输出轴12上的单向轴承

的外齿轮27’、28’逆时向旋转，驱使与之啮合的变压挡外齿轮27、28顺时向转动；由于变压挡凸轮拨档器17’处于虚拟1挡区域，变压挡外齿轮27、28的滚柱锁止离合器④皆分离而处于轴承状态(参见图8)；即挂入R挡时并无传动干涉。

驾驶员将拨档杆拨入D挡，退出倒挡R，ECU即指令伺服电机⑩驱使拨挡轴18顺时向旋转2α弧度，退出R挡并经P挡挂、退挡后，由凸轮拨档器19’的凸轮D1顶持60’使离合器

结合挂入前进挡(见图1)，离合器⑥、⑤分离，拾速塔轮轴13经变压1挡外齿圈26的齿轮副及离合器

驱动输出轴12顺时向旋转，见图9-4、9-5、9-6及图9-7、9-8、9-9。

上述传动时与输出轴12关联的滚柱锁止离合器②、②’、⑥、⑤皆分离；因变压挡凸轮拨挡器处于虚拟1挡，使得外齿轮27、28的电控滚柱锁止离合器④分离，相应其齿轮副外齿轮27’、28’无传动，其与输出轴12连接的单向轴承

处于可超越的工况自动分离，即由变压1挡的驱动输出轴12的传动无干涉。

为减少变速箱齿轮磨损，ECU可据相关传感数据及设置，指令伺服电机⑩驱动拨挡轴18使凸轮拨挡器18’、19’在滚柱锁止离合器

传动的位置，顺时向旋转α弧度，则离合器⑥、

⑤皆分离(见图9-10、9-11、9-12)切断与输出轴12的传动；同时ECU指令伺服电机⑧逆时向旋转α弧度，切断发动机的驱动(见图2)，此时，变速箱各齿轮无传动。

Claims (10)

1.一种汽车自动变速箱，其特征是：所述变速箱为平行轴机构，其通过伺服电机操控电控离合装置，使发动机直驱或者经拾速塔轮轴的基挡、变压挡组成的复合挡驱动车辆运行。

2.根据权利要求1所述的自动变速箱，其特征是：各传动齿轮及其传动轴，为电控滚柱锁止离合器或单向轴承(单向离合器)的两传动部件，传动轴内置的伺服电机驱动拨档器，实施复合挡、直接挡滚柱锁止离合器的离合转换，即挡位的切换。

3.根据权利要求1或2所述的自动变速箱，其特征是：同轴(拾速塔轮轴)速比较小变压挡的单向电控滚柱锁止离合器，可操控拾速塔轮轴的单向轴承的离合实施传动转换，拾速塔轮轴内腔的星排联动器，使各基挡每循环变换一圈，变压挡有1挡转换，确保各变压挡可逐一与基挡的传动匹配成复合挡。

4.根据权利要求1或3所述的自动变速箱，其特征是：塔齿轴经一只双向、一对安装方向相反的单向电控滚柱锁止离合器，与输入、输出轴相连，使发动机可直接驱动车辆前行或拖拽车辆减速。

5.一种实施权利要求1的方法，即变速箱内的传动齿轮与传动轴皆经单向电控滚柱锁止离合器或单向轴承相连，其特征是：经单向电控滚柱锁止离合器或单向轴承，使各基挡或变压挡可同时在挡传动，该共同传动的实质是，传动比最小的挡位实施传动。

6.根据权利要求1或5所述方法，其特征是：操控变压挡传动比较小挡位的电控滚柱锁止离合器，即可对同轴、外齿轮传动比较大的单向轴承所在挡，实施传动操控。

7.一种实施权利要求1的方法的装置，即拾速塔轮轴，其特征是：所述拾速塔轮轴与各基挡、变压挡外齿轮，为离合器的两传动部件(内、外圈)，经锁止滚柱、强制滚柱、弧形支杆、定位弹板等，组成各基挡、变压挡的单向电控滚柱锁止离合器，且拾速塔轮轴作为星排联动器的内齿圈，使拾速塔轮轴与内腔的星排联动器同步旋转中，将基挡、变压挡匹配为多种复合挡，驱动车辆运行。

8.根据权利要求1或7所述的拾速塔轮轴，其特征是：所述拾速塔轮轴，为各基挡、变压挡的电控滚柱锁止离合器的共用内圈，各基挡强制滚柱，在拾速塔轮轴圆周方向错位角为360°÷基挡单元数，各变压挡强制滚柱的错位角为360°÷(变压挡单元数+虚拟挡位数)。

9.根据权利要求1或8所述的拾速塔轮轴，其特征是：基挡、变压挡的凸轮拨档器，设置在拾速塔轮轴空心内腔，拨档器轴线方向的凸面厚度，应能触所有的基挡或变压挡的强制滚柱，基挡拨档器弧形凸面的弧度为强制滚柱错位角+θ(变压挡为θ’)，θ为凸轮拨档器与相邻两基挡强制滚柱作用，使两挡滚柱锁止离合器皆结合的最小值，θ’为基挡最高挡切换为最低挡时，变压挡与之同步切换的最小值。

10.根据权利要求1或9所述的拾速塔轮轴，其特征是：拾速塔轮轴壁上铣切的锁止坡道的坡度、定位弹板的弹性，应满足强制滚柱处于基态时，锁止坡道上的锁止滚柱不能自锁，并能支撑内外圈旋转，且还应满足随强制滚柱位移，使滚柱锁止离合器顺利结合或分离。

Images